JP5636052B2 - 白金族金属濃度勾配を有する塗膜された切削工具および関連プロセス - Google Patents
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Description
。その上に蒸着された少なくとも1つの白金族金属を有する基板は、少なくとも1つの白金族金属および/またはレニウムを結合剤内に拡散させるために十分な時間の間、ある温度で加熱される。結合剤内に拡散される少なくとも1つの白金族金属は、結合剤内に表面近傍白金族金属濃度勾配を形成する。
に意図される。
したがって、冠詞は、本明細書では、冠詞の文法上の目的物の1つまたは2つ以上(すなわち、少なくとも1つ)を指すために使用される。一例として、「成分」は、1つ以上の成分を意味し、したがって、可能性として、2つ以上の成分が想定され、採用または使用されてもよい。
増加はまた、耐摩耗塗膜が浸食され、基板を曝露する場合、磨損を最小限にするのに有用となり得る。
ステン、アルミニウム、ホウ素、シリコン、これらの材料のいずれかの固体溶液、またはこれらの材料のいずれかの組み合わせを備えてもよい。当業者は、切削工具上に従来含まれる種々の塗膜が、例えば、耐熱、耐摩耗、および/または耐衝撃を改良することを認知し、任意のそのような塗膜は、基板と適合性がある場合、本開示に従って、切削工具上に含まれてもよい。
良し得る。例えば、本プロセスによって、PGMを備える蒸着された層は、曝露された硬質粒子粒の湿潤および硬質粒子の表面に沿った毛細管作用によって、最初に、固結された硬質粒子基質内に進入可能となり得る。拡散プロセスの初期段階では、競合する置換拡散(例えば、PGMは、基材内に拡散し、基材は、蒸着されたPGM層内に同時拡散する)が、蒸着されたPGM層と結合剤基材との間の空隙によって、低減され得る。拡散プロセスが継続し、空隙が拡散材料によって充填されるのに伴って、結合剤基材は、エッチングされた体積内へ逆拡散し、拡散されたPGMと合金化し始めてもよい。
5分間の基板と本溶液との間の接触は、基板表面から測定して、約10マイクロメートルの深度まで除去するであろう。時間が延長されるほど、60分未満の時間の間、略線形に、浸出プロセスをWC−Co基板内にさらに浸透させる。
内の結合剤および基板の表面近傍領域内の結合剤は両方とも、同一または異なるPGMを備えてもよいが、表面近傍領域内のPGMは、PGM濃度勾配を形成する。
ルトが成形体の表面に溶融および浸透し、それによって、焼結された基板の表面上にコバルト構造を形成する傾向を呈し得る。本現象は、コバルトキャッピングと称され得る。基板表面上のコバルトキャップは、無作為に分布され、したがって、基板の表面上に、隆線のある粗面を生成し得る。基板の表面におけるコバルト結合剤内のPGMの存在は、コバルトキャップの高さおよび頻度を増加させ得る。いくつかの表面処理技法が、ある程度まで、コバルトキャッピング効果を低減させるために行われてもよいが、コバルト結合剤内にPGMを含有する焼結された固結硬質粒子基板上に均一表面を一貫して生産することは困難であり得る。故に、塗膜がPVDおよび/またはCVDプロセスを使用して塗布される実施形態では、基板表面は、塗膜表面前処理を行ってもよい。
に、塗膜の表面の質を改良し得る。例えば、ショットピーニング等の塗膜された切削工具表面の後処理のためのいくつかの方法が存在する。参照することによって本明細書に組み込まれる、特許広報第02254144号は、10−2000マイクロメートルの範囲内の粒径を伴う、球状粒形状を有する、小金属粒子の注入を使用したショットピーニングプロセスについて説明している。塗膜表面後処理の別の実施例は、圧気ブラスティングである。参照することによって本明細書に組み込まれる、米国特許第6,869,334号は、1乃至100マイクロメートルの範囲の非常に細かい粒径を有する、AI2O3等の無機ブラスティング剤を使用したブラスティングプロセスについて説明している。塗膜表面後処理の別の実施例は、ブラッシングである。参照することによって本明細書に組み込まれる、米国特許第6,638,609号は、SiC粒を含有する、ナイロン製ストローブラシを使用したブラッシングプロセスについて説明している。ウェットブラストもまた、米国特許第6,638,609号に説明されるように、塗膜表面後処理として使用され、平滑塗膜層を生成し得る。
せる。これらの改良された特性は、耐摩耗塗膜のためのより優れた基盤をもたらす。その結果、より高いMRRが、同一またはより長い工具寿命のために達成され得る。故に、耐摩耗塗膜と組み合わせられた表面近傍PGM濃度勾配の効果は、相互に相補し、実質的に改良された切削工具を提供する。
種々の本明細書に開示される実施形態による、塗膜された切削インサートを調製した。切削インサートは、粉末冶金技法を使用して、公称化学組成および以下の表2に提示される選択特性を有するように調製された基板を備えた。基板は、コバルト結合剤内に分散および固結されたタングステン炭化物硬質粒子を備えた。ある基板はまた、チタン、タンタル、およびニオブの小濃度の炭化物を備えた。ある基板はまた、バルク結合剤組成内にルテニウムを備えた。
(i)脱ろうサイクルを室温から開始し、375℃の温度に到達するまで、2℃/分の上昇速度で、次いで、約90分間、本温度に保持した。
(ii)Co、W、C、Ti、Ta、Nb等の酸化物を分解する、焼結前サイクルを、1,200℃の温度に到達するまで、4℃/分の上昇温度で開始し、次いで、60分間、本温度に保持した。
(iii)高温焼結サイクルを、1,200℃から1,400℃/1,450℃(すなわち、焼結温度)の温度上昇で開始し、焼結温度に約120分間保持後、終了し、その間、焼結された基板は、非多孔性となり、所望の焼結サイズに縮小した。
(iv)冷却サイクルを行い、炉内にある間、焼結された固結炭化物切削インサート基板を室温まで冷却させた。
表面上に蒸着した。ルテニウムの4マイクロメートルのPVD塗膜を、各固結された炭化物基板を備える、インサートのそれぞれ上に蒸着した。加えて、基板Aを備え、ADKT1505PDER−47幾何学形状を有する、インサートを、ルテニウム、レニウム、イリジウム、オスミウム、または白金のいずれかの層によって塗装した。各切削インサート基板を、1325℃の60分間熱処理サイクルに従って加工し、PGMを基板の結合剤層内に拡散させ、対数的表面近傍PGM濃度勾配を生産した。
それぞれ、規格幾何学形状設計ADKT1505PDER−47を有する、3つの異なる群のTiN−TiC−TiN CVD塗膜された平削インサートを、Ti−6AI−4Vワークピースの平削を伴う、工具摩耗試験のために使用した。平削条件は、表5に示される。工具摩耗試験を行うために使用された3つの群のADKT1505PDER−47平削インサートはそれぞれ、(i)GX20(商標)基板(ATI Stellram、Allegheny Technologies Company、LaVergne、TN、37086、USA)、(ii)表面近傍ルテニウム濃度勾配を伴わない基板A、および(iii)前述のように、表面近傍ルテニウム濃度勾配を伴う基板Aを備えた。
実施例3
それぞれ、規格幾何学形状設計APKT1604PDER−43を有する、3つの異なる群のTiN−TiC−TiN CVD塗膜された平削インサートを、Ti−6AI−4Vワークピースの平削を伴う、工具摩耗試験のために使用した。平削条件は、表5に示される。工具摩耗試験を行うために使用された3つの群のAPKT1604PDER−43平削インサートはそれぞれ、(i)GX20(商標)材料基板、(ii)表面近傍ルテニウム濃度勾配を伴わない基板B、および(iii)表面近傍ルテニウム濃度勾配を伴う基板Bを備えた。
ワークピース上で3つの複製平削動作を行った。各変形例の3つの摩耗測定の平均は、図5に提示される。基礎GX20(商標)材料変形例を備える、平削インサートは、平均側面摩耗0.012インチを呈した。ルテニウム含有量を伴わない基板Bを備える、平削インサートは、平均摩耗0.030インチを呈した。基板Bを備え、固結された炭化物基板の結合剤内に拡散された表面近傍ルテニウム濃度勾配を有する、切削インサートは、平均摩耗0.022インチを呈した。ルテニウム勾配を伴う基板Bを備える、切削インサートは、ルテニウム含有量を伴わない基板Bを備える切削インサートと比較して、耐摩耗性26.7%の向上を呈した。
実施例4
それぞれ、規格幾何学形状設計XDLT120508ER−D41を有する、3つの異なる群のTiN−TiC−TiN CVD塗膜された平削インサートを、Ti−6AI−4Vワークピースの平削を伴う工具摩耗試験のために使用した。平削条件は、表5に示される。工具摩耗試験を行うために使用された3つの群のXDLT120508ER−D41平削インサートはそれぞれ、(i)GX20(商標)材料基板、(ii)表面近傍ルテニウム濃度勾配を伴わない基板C、および(iii)表面近傍ルテニウム濃度勾配を伴う基板Cを備えた。
実施例5
それぞれ、規格幾何学形状設計XDLT120508ER−D41を有する、3つの異なる群のTiN−TiC−TiN CVD塗膜された平削インサートを、Ti−6AI−4Vワークピースの平削を伴う工具摩耗試験のために使用した。平削条件は、表5に示される。工具摩耗試験を行うために使用された3つの群のXDLT120508ER−D41平削インサートはそれぞれ、(i)GX20(商標)材料基板、(ii)表面近傍ルテニウム濃度勾配を伴わない基板D、および(iii)表面近傍ルテニウム濃度勾配を伴う基板Dを備えた。
面摩耗0.0102インチを呈した。ルテニウム含有量を伴わない基板Dを備える、平削インサートは、平均摩耗0.0153インチを呈した。基板Dを備え、固結された炭化物基板の結合剤内に拡散される表面近傍ルテニウム濃度勾配を有する、切削インサートは、平均摩耗0.0132インチを呈した。ルテニウム勾配を伴う基板Dを備える、切削インサートは、ルテニウム含有量を伴わない基板Dを備える切削インサートと比較して、耐摩耗性13.7%の向上を呈した。
実施例6
それぞれ、規格幾何学形状設計CNMG432−4Tを有する、18の異なる群のTiN−TiCN−Ai2O3−TiN CVD塗膜された旋削インサートを、4340鋼鉄ワークピースの旋削を伴う工具摩耗試験のために使用した。旋削条件は、表5に示される。工具摩耗試験を行うために使用された18の群のCNMG432−4T旋削インサート
はそれぞれ、9つの基板F〜Nのうちの1つを備え、第1のセットは、ルテニウム勾配を伴わず、第2のセットは、表面近傍ルテニウム濃度勾配を伴う。
実施例7
それぞれ、規格幾何学形状設計CNMG432−4Eを有する、8つの異なる群のTiAIN PVD塗膜された旋削インサートを、Ti−6AI−4Vワークピースの旋削を伴う工具摩耗試験のために使用した。旋削条件は、表5に示される。工具摩耗試験を行うために使用された8つの群のCNMG432−4E旋削インサートはそれぞれ、4つの基板1〜4のうちの1つを備え、第1のセットは、ルテニウム含有量を伴わず、第2のセットは、表面近傍ルテニウム濃度勾配を伴う。
実施例8
それぞれ、規格幾何学形状設計RCMR96−4Mを有する、2つの異なる群のTiN−TiCN−OAI2O3−TiCN−TiN CVD塗膜された旋削インサートを、鍛造炭素鋼鉄鉄道車輪の旋削を伴う工具摩耗試験のために使用した。旋削条件は、表5に示される。工具摩耗試験を行うために使用された2つの群のRCMR96−4M旋削インサートはそれぞれ、(i)ルテニウム含有量を伴わない基板Z、および(ii)表面近傍ル
テニウム濃度勾配を伴う基板Zを備えた。
実施例9
それぞれ、規格幾何学形状設計ADKT1505PDER−47を有する、6つの異なる群のTiN−TiC−TiN CVD塗膜された平削インサートを、Ti−6AI−4Vワークピースの平削を伴う工具寿命試験のために使用した。ワークピース材料および平削条件は、表5に示される。工具寿命試験を行うために使用された6つの群のADKT1505PDER−47平削インサートはそれぞれ、基板Aを備え、1つのセットは、PGM含有量を伴わず、5つの他のセットは、それぞれ、ルテニウム、レニウム、イリジウム、オスミウム、および白金の表面近傍濃度勾配を備える。
Claims (27)
- 切削工具を生産するためのプロセスであって、
硬質粒子と、結合剤と、を含む、基板の表面の少なくとも一部分上に、少なくとも1つの白金族金属を蒸着させることと、
少なくとも1つの白金族金属を前記結合剤内に拡散させ、前記結合剤内に表面近傍白金族金属濃度勾配を形成するために十分な温度及び時間で、前記基板を加熱することと、
前記基板を加熱し、前記結合剤内に前記表面近傍白金族金属濃度勾配を形成後、前記基板表面上に、耐摩耗塗膜を蒸着することと、
を含む、プロセス。 - 前記白金族金属は、レニウム、ルテニウム、オスミウム、ロジウム、イリジウム、パラジウム、白金、または任意のそれらの組み合わせを含む、請求項1に記載のプロセス。
- 前記硬質粒子は、少なくとも1つの金属炭化物、金属窒化物、金属炭窒化物、金属ホウ化物、金属珪化物、金属酸化物、または任意のそれらの組み合わせを含む、請求項1に記載のプロセス。
- 前記硬質粒子を含む金属は、チタン、クロム、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、モリブデン、ニオブ、タングステン、または任意のそれらの組み合わせを含む、請求項3に記載のプロセス。
- 前記結合剤は、コバルト、ニッケル、鉄、任意のそれらの合金、または任意のそれらの組み合わせを含む、請求項1に記載のプロセス。
- 前記表面近傍白金族金属濃度勾配は、前記基板表面に、総結合剤重量に基づいて、10重量%乃至100重量%の白金族金属を含み、前記基板のバルク領域内に、ゼロ乃至バックグラウンドレベルの白金族金属を含む、請求項1に記載のプロセス。
- 前記表面近傍白金族金属濃度勾配は、前記基板表面に、総結合剤重量に基づいて、10重量%乃至100重量%の白金族金属を含み、深さ方向に、ゼロまたはバックグラウンドレベルの白金族金属にまで減少する、請求項1に記載のプロセス。
- 前記表面近傍白金族金属濃度勾配は、前記基板表面に、総結合剤重量に基づいて、10重量%乃至100重量%の白金族金属を含み、深さ方向に、前記基板のバルク領域内のゼロまたはバックグラウンドレベルの白金族金属にまで対数的に減少する、請求項1に記載のプロセス。
- 前記基板の表面の少なくとも一部分上に少なくとも1つの白金族金属を蒸着する前に、前記基板の表面の少なくとも一部分から、前記結合剤の少なくとも一部分を除去することをさらに含む、請求項1に記載のプロセス。
- 前記基板の表面の少なくとも一部分上に、少なくとも1つの白金族金属を蒸着する前に、前記基板表面をエッチングし、前記基板の表面の少なくとも一部分から、前記結合剤の少なくとも一部分を除去することを含む、請求項9に記載のプロセス。
- 前記耐摩耗塗膜は、物理蒸着を使用して蒸着される、請求項1に記載のプロセス。
- 前記耐摩耗塗膜は、化学蒸着を使用して蒸着される、請求項1に記載のプロセス。
- 前記耐摩耗塗膜は、金属炭化物、金属窒化物、金属炭窒化物、金属ホウ化物、金属珪化物、または金属酸化物のうちの少なくとも1つを含む、請求項1に記載のプロセス。
- 前記耐摩耗塗膜を含む金属は、チタン、クロム、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、モリブデン、ニオブ、タングステン、アルミニウム、ホウ素、シリコン、または任意のそれらの組み合わせを含む、請求項13に記載のプロセス。
- 前記基板の加熱後、前記基板表面上に、前記耐摩耗塗膜を蒸着する前に、塗膜前処理によって、前記基板の表面の少なくとも一部分を処理することをさらに含む、請求項1に記載のプロセス。
- 前記塗膜前処理は、電解研磨、ショットピーニング、マイクロブラスト、ウェットブラスト、ドライブラスト、研削、ブラッシング、ジェット研磨、圧気ブラスト、または任意のそれらの組み合わせを含む、請求項15に記載のプロセス。
- 前記切削工具は、バリ、エンドミル、ドリル、およびインサートから成る群から選択される、請求項1に記載のプロセス。
- 前記白金族金属は、レニウム、ルテニウム、オスミウム、ロジウム、イリジウム、または任意のそれらの組み合わせを含む、請求項1に記載のプロセス。
- 切削工具を生産するためのプロセスであって、
タングステン炭化物を含む硬質粒子と、コバルトを含む結合剤とを含む固結された炭化物基板の表面の少なくとも一部をエッチングすることと、
前記固結された炭化物基板の表面の少なくとも一部分上に、ルテニウムを蒸着させることと、
ルテニウムを前記結合剤内に拡散させ、前記結合剤内に表面近傍ルテニウム濃度勾配を形成するために十分な温度及び時間で、前記基板を加熱することと、
前記基板を加熱し、前記結合剤内に前記表面近傍ルテニウム濃度勾配を形成後、前記基板表面上に、耐摩耗塗膜を蒸着することとを含み、
前記表面近傍ルテニウム濃度勾配は、前記基板表面に、総結合剤重量に基づいて、10重量%乃至100重量%のルテニウムを含み、前記基板表面の下で、深さ方向に、バルク領域内のゼロまたはバックグラウンドレベルのルテニウムにまで減少する、前記プロセス。 - 前記表面近傍ルテニウム濃度勾配は、前記基板表面に、総結合剤重量に基づいて、10重量%乃至100重量%のルテニウムを含み、前記基板表面の下で、深さ方向に、バルク領域内のゼロまたはバックグラウンドレベルのルテニウムにまで対数的に減少する、請求項19に記載のプロセス。
- 前記基板の加熱後、前記基板表面上に、前記耐摩耗塗膜を蒸着する前に、塗膜前処理によって、前記基板の表面の少なくとも一部分を処理することをさらに含む、請求項19に記載のプロセス。
- 塗膜前処理は、電解研磨、ショットピーニング、マイクロブラスト、ウェットブラスト、ドライブラスト、研削、ブラッシング、ジェット研磨、圧気ブラスト、または任意のそれらの組み合わせを含む、請求項21に記載のプロセス。
- 塗膜前処理は、マイクロブラスト、ウェットブラスト、ドライブラスト、または任意のそれらの組み合わせを含む、請求項21に記載のプロセス。
- 耐摩耗塗膜は、物理気相蒸着を用いて蒸着される、請求項19に記載のプロセス。
- 耐摩耗塗膜は、化学気相蒸着を用いて蒸着される、請求項19に記載のプロセス。
- 前記耐摩耗塗膜は、金属炭化物、金属窒化物、金属炭窒化物、金属ホウ化物、金属珪化物、金属酸化物の少なくとも1つを含む、請求項19に記載のプロセス。
- 前記金属は、チタン、クロム、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、モリブデン、ニオブ、タングステン、アルミニウム、ホウ素、ケイ素、または任意のそれらの組み合わせを含む耐摩耗塗膜を含む、請求項26に記載のプロセス。
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